双/多基地天气雷达探测小椭球粒子群的雷达气象方程

首先导出小椭球散射的方向函数及侧向散射截面的表达式。然后,考虑发射水平偏振波与垂直偏振波这两种情况下,当小椭球粒子群旋转轴作一致铅直取向和在空间作均匀随机取向时,分别建立适用于双/多基地雷达接收子站的雷达气象方程。主要结果为:(1)当入射波以不同的仰角及方位角射到旋转轴任意取向的椭球上时,会在椭球的3个轴上产生不同的极化电偶极矩分量,使小椭球散射方向函数不仅与散射方向有关,还与天线和粒子两个直角坐标之间的配置情况有关。(2)无论入射波偏振方式是水平还是垂直,小椭球粒子的总侧向散射截面恒是散射波在该方向上造成的侧向散射截面之和。(3)双基地雷达气象方程与单基地雷达气象方程比较,其差别在于侧向散射截面与后向散射截面的不同,另外,有效照射体积不同,子站与单基地站天线方向性函数不同,使双基地雷达气象方程中多出与双基地角有关的一个因子。(4)主站天线辐射在半功率点内不论均匀与否,双基地雷达气象方程中的侧向散射截面均代表总的侧向散射截面且依赖入射波偏振方式。(5)给出了小椭球群旋转轴一致铅直取向情况下的双基地雷达气象方程,这些方程与入射波偏振方式、主站发射天线辐射在半功率点内均匀与否有关。入射波为垂直偏振时一致铅直取向的椭球群的侧向散射截面可能由包含铅直分量在内的3个正交分量组成。这具体依赖于主站天线仰角。但入射波为水平偏振时到达子站天线处的回波功率与主站天线仰角无关。(6)给出了小椭球群旋转轴在空间无规则取向时的双基地雷达气象方程,这些方程与主站天线仰角、入射波偏振方式等无关,但与主站发射天线辐射在半功率点内均匀与否有关。     

小椭球雨滴后向散射STOKES矩阵的计算

云和降水粒子的非球形性质是引起雷达散射信号产生退偏振的主要因素。下落雨滴的形状可以近似地用旋转椭球体来处理。本文系统地推导出了小旋转椭球体的STOKES散射矩阵的表达式,并分析了矩阵各元素的物理含意,说明可以用统一的方式来描述各种偏振波的散射过程。     

椭球雨滴群旋转轴取向对双线偏振多普勒雷达参量影响的计算分析

以椭球粒子的电磁波散射理论为基础, 主要研究椭球雨滴群旋转轴在空间的取向特征, 建立粒子旋转轴空间取向与风场、 雷达天线仰角间的关系。在考虑粒子传输效应的情况下, 分析了旋转轴取向对双线偏振雷达探测参数ZDR和LDR的影响, 为提高双线偏振多普勒天气雷达观测资料的精度提供了理论依据。     

双基地偏振雷达探测时小旋转椭球雨滴的侧向散射特性

从旋转椭球粒子散射理论出发,给出单个小旋转椭球雨滴在入射不同偏振波时的散射函数,并对其在不同仰角情况的数学图形和物理意义做了讨论,为推导基于椭球雨滴群的双基地偏振雷达方程、研究椭球雨滴群对双基地线偏振雷达探测能力的影响、处理和分析双基地偏振雷达资料,提供了理论依据.     

双基地雷达系统探测椭球雨滴群时主站仰角对探测性能的影响

为了提高双基地偏振雷达的探测精度,从旋转椭球粒子散射和衰减的理论出发,推导出基于椭球雨滴群的双基地偏振雷达方程,并利用此方程探讨了旋转椭球雨滴群一致垂直取向情况下,主站雷达发射仰角、目标粒子群位置等因素对双基地偏振雷达探测能力的影响程度.结果表明,随着仰角的抬高,几何因子值和两种偏振状态下的回波功率比均出现了高值区和低值区面积减少的变化特征;散射截面因子值也随着仰角的抬高在水平偏振时增加,垂直偏振时减少.     

非球形轴对称粒子光散射的散射矩阵元素展开系数的数值计算

扼要地介绍了非球 普子光散射的散射矩阵元素按广义球函数展开的基本理论,以及球形粒子散射矩阵元素间的关系。在此基础上较详细地阐述了计算展开的方法以及在程序研制中的所遇到的一些问题。最后,对非球形的Ｃｈｅｂｙｓｈｅｖ粒子光射散射的散射矩阵元素的展开系数进行了计算,结果表明数值技术和计算的正确性。     

扁旋转椭球状冰水混合粒子对偏振雷达波的散射

本文借助于旋转椭球矢量波函数和平均场的理论,得到了非均匀扁旋转椭球粒子对偏振电磁波散射的准解析解,并利用所得理论公式给出了雷达气象上极为重要的在平行和垂直入射条件下,非均匀扁旋转椭球状海绵冰粒对雷达波的后向散射截面数值计算结果。在计算中认为海绵冰粒分二层,内核为纯冰扁旋转椭球,外层由冰水混合构成。     

双/多基地天气雷达探测小椭球降水粒子的侧向散射能力

首先给出小椭球粒子侧向和后向散射截面的表达式,将其中相关参数用双基地雷达坐标系中的量表示,在定义小椭球粒子侧向散射能力后,分别推导出发射水平与垂直偏振波条件下估算侧向散射能力的算式,并通过仿真计算,获得各高度上的侧向散射能力和分布情况.得出的主要结果为:(1)发射水平偏振波时,在低高度的等高面上,当离开基线垂直向上或向下距离增加时,侧向散射能力先逐渐变小到最小值后,再逐渐增大.在基线左、右的延线上也基本呈这种分布,仅在主站与子站的垂直方向上存在侧向散射能力的最低区域.随着等高面高度升高,侧向散射能力分布情况基本相似,仅子站上下的弱侧向散射值有所提高.(2)发射垂直偏振波时,在低高度水平面上无论被探测的扁旋转椭球粒子处在该平面上(除主站与子站张培昌等:双/多基地天气雷达探测小椭球降水粒子的侧向散射能力.     

求解非球形大粒子光散射问题的一种简明数值计算方法

对于实际大气中传输的非偏振自然光的散射问题,所关心的散射参量通常为散射强度和线偏振度。本文通过对光子沿随机抽样人射路径的散射几率进行统计,建立了计算多粒径大粒子系统单次散射相函数及线偏振度的一种简明数值方法。对于粒子表面具有曲率的情况,该方法可以避免处理由表面曲率引入的“发散因子”。由于大气中液滴的形状一般近似为旋转扁椭球,本文也根据所建立的数值计算方法,计算和讨论了旋转扁椭球形液滴的散射相函数和线偏振度。     

小旋转椭球粒子群的微波散射特性

文中从不同方向线性偏振的入射波对小旋转椭球状降水粒子极化产生的散射出发 ,推导出散射能流密度函数 ,以及降水粒子群旋转轴处于不同状态下的散射截面 ,得出散射截面随降水粒子相态和入射波波长变化的一些曲线 ,其结果可供遥感反演计算使用。     

六角柱冰晶的光散射函数的计算

六角柱冰晶是卷云中粒子的基本形态。本文着重讨论了利用作者已发展的模式,对有吸收的红外波段冰晶的散射矩阵的计算结果。对比了可见光的计算结果,也对比了长六角柱、扁六角柱以及球状、旋转椭球状冰晶的散射。发现吸收的影响主要造成冰晶的侧向和后侧向散射能量减小以及因折射和多次内反射引起的晕峰和“雨虹峰值”减弱。不同形状冰晶的散射函数虽然总的情况颇一致,但与六角柱冰晶相比,球状冰晶的侧向散射较弱,而椭球状冰晶则表现出后向和后侧向散射较弱。这些特征无疑地都将影响激光探测卷云和光传输过程。     

球锥扁椭球冰粒后向散射实验与DDA计算研究

采用实验室观测和DDA法理论计算，分别获得了球锥扁椭球形冰粒对3.2、5.6和10.7cm三种波长极化波的后向散射特性数据。结果表明，测量资料和计算数据具有很好的一致性。球锥扁椭球形冰粒的后向散射截面大小不仅依赖于其尺寸（等容半径）而且受其形状影响，“差反射率雷因子ZDR”与粒子形状参数“水平-垂直尺度比”呈很好的线性正相关。这是利用双偏振雷达探测识别球锥扁椭球形冰雹的依据。     

不同环境温度下冰云粒子的单次散射参量

本文提出了直接Stokes参量变换的射线追踪方案,优化了作者过去建立的求解六角冰晶粒子散射的射线追踪模式.在冰晶有吸收(折射指数为复数)的情况下,新模式采用了有效折射指数处理粒子内的非单色折射波.其次,新模式还引入了有效单次散射参量,消除了来自几何透射线的前向δ散射效应.最后,根据不同环境温度下的冰云中冰晶粒子的粒径谱分布,本文计算了粒径谱积分平均的3D随机取向六角冰晶粒子的单次散射参量.文中给出的冰晶粒子单次散射参量的数值,对研究冰云辐射特性将有一定参考价值.     

用T矩阵方法计算超椭球粒子的电磁散射特性

利用超椭球体方程描述粒子形状，用Matlab实现粒子形状的的绘制并离散粒子表面。用T矩阵方法计算了粒子的一些散射性质，并与其他算法做了对比。     

分层均匀旋转椭球体对偏振电磁波的散射理论及数值计算

本文在旋转椭球坐标系中求解麦克斯韦方程,得到了二层旋转椭球体对偏振电磁波的散射解,并利用所得公式,给出了扁旋转椭球状表面附水冰粒对雷达波散射的数值计算结果。     

粒子边缘粘连对0℃层亮带雷达反射率因子的影响分析

针对云中粒子在融化、并合过程中的粘连现象对0℃层亮带的影响分析,利用离散偶极子近似算法(DDA)计算融化过程中两个大小相同的球形粒子在雷达发射波偏振方向上发生粘连后的散射特性,以两个等体积融化球为例,它们在雷达发射波偏振方向上发生粘连时的总后向散射截面σDDA,并与同体积融合球的后向散射截面σmieequal比较。结果表明:(1)在等体积直径较小时,σDDA/σmieequal≥1.5,随着等体积直径的变大,σDDA/σmieequal会减小趋向于1,甚至会1;(2)在同样的等体积直径处,σDDA/σmieequal随着融化程度的加深而增大,在谐振区可出现减小。引入"粘连概率p"参数刻画粘连影响,并应用于含有0℃层亮带的层状云的雷达反射率因子的定量模拟试验。结果表明,在粒子融化、并合过程中,在雷达发射波偏振方向上的粘连,可以有效地增大雷达反射率因子、使亮带现象更加突出。     

扁椭球雨滴后向散射的Gans理论和T矩阵差异对雷达探测释义的影响

非球形粒子的散射特性研究是双偏振雷达探测数据处理和释义的基础,非球形状同样会影响常规雷达探测数据的处理和释义。在利用雷达进行降水观测的过程中,需要考虑旋转扁椭球雨滴的散射特性。Gans理论和T矩阵法是常用于计算椭球粒子散射特性的算法,但其算法差异会对雷达探测反演带来不同的结果。利用Gans理论和T矩阵法的数值计算,分析旋转扁椭球雨滴的后向散射截面,同时对比常用雷达波段（S、C、X和Ku）内两种算法的后向散射截面的相对差别,以相对差别的阈值得到Gans理论可适用于计算旋转扁椭球雨滴后向散射截面的最大等效半径和尺度参数。在常用雷达波长处对该差异造成的雷达反射率因子Zh和差反射率因子ZDR的影响进行分析。结果表明,在MP雨滴谱下,X波段处Zh的算法差异可达1.66 dBZ,在C波段处ZDR的算法差异可达0.75 dBZ,其他各波长处也有差异。      

双基地多普勒雷达探测小椭球粒子群的雷达气象方程

以椭球粒子的电磁波散射理论（Gans理论）为基础,考虑粒子群旋转轴一致铅直取向情况下,深入研究散射体对雷达波的侧向散射特性,推导出发射水平偏振波与垂直偏振波时的双基地雷达气象方程,并重新定义相应的雷达反射率因子、侧向反射率-后向反射率之比及差分反射率因子等雷达探测参数的表示式,为进一步研究和应用双基地多普勒天气雷达提供理论依据。     

水平取向对冰云辐射传输的影响

本文用分离坐标法求解辐射通过卷云的传输,该卷云由在水平面内随机取向的非球形冰晶所组成,即“二维卷云模式”。文中用零阶和二阶Legendre多项式的展开式来近似表示由于冰粒子水平取向所引起的散射参数随入射角的变化。散射相函数由解析的Henyey-Greenstein函数表示,其不对称因子也与入射天顶角有关。文中用这种模式计算了太阳短波以及地球红外热辐射通过卷云时的辐射通量传输性质以及方位平均强度的分布。将上述二维模式的计算结果与通常的三维模式(即假定冰粒子在三维空间随机分布)相比较,表明冰晶的优先取向对卷云的反照率有重要影响,两种模式的反照率可以相差8％。另一方面,对于红外辐射而言,两个模式的向上辐射强度有显著的差别,但是冰晶的取向状况对红外辐射通量影响较小。上述结果表明,冰晶的优势取向可能是决定卷云反照率的一个重要因子,同时它对于利用红外辐射探测卷云的组成和结构来说有重要的影响。     

随机取向沙尘气溶胶激光雷达线退偏比特性研究

利用离散偶极子近似法,数值计算分析了随机取向旋转椭球体沙尘气溶胶粒子在尺度参数为0.1~23时（波长0.55 μm对应有效半径为0.01~2 μm）的激光雷达线退偏比特性,通过比较其不同旋转椭球体轴半径比下的差别,研究了粒子非球形性程度对单分散和多分散沙尘气溶胶激光雷达线退偏比特性的影响.单分散旋转椭球体沙尘气溶胶的激光雷达线退偏比对粒子的轴半径比和尺度参数有很强的依赖性;对于长旋转椭球体,沙尘激光雷达线退偏比较小值出现在瑞利散射区,而较大的值出现在米散射区;对于扁旋转椭球体,在米散射区较大沙尘粒子也可以产生较小的激光雷达线退偏比,例如,轴半径比为1/16,尺度参数为3时的沙尘激光雷达线退偏比仅为0.1%.就随机取向旋转椭球体沙尘粒子而言,对于单分散系,仅当尺度参数小于0.5时,非球形特征越明显,其激光雷达线退偏比越大;而对多分散系,非球形特征越明显,其激光雷达线退偏比越大.